JP2017173283A - 中性子減速照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】中性子源が発生した中性子線を減速し、高速中性子の混入率が低減されていながら熱外中性子の強度が高い中性子線を出射することが可能な中性子減速照射装置を提供する。【解決手段】中性子減速照射装置２は、荷電粒子線が照射されて中性子源５が発生した中性子線を減速させる減速材２１Ａ，２１Ｂと、減速材２１Ａ，２１Ｂの周囲を囲む反射材２２と、減速材２１Ａ，２１Ｂによって減速された中性子線の照射野を整形するコリメータ部２４Ａ，２４Ｂとを備え、減速材２１Ａ，２１Ｂは、中性子源５の下流側に配置された本体部２１Ａと、本体部２１Ａの上流側に配置されて中性子源５の周囲を囲む上流部２１Ｂとを有する。【選択図】図２

Description

本発明は、中性子源が発生した中性子線を減速して照射する中性子減速照射装置に関する。

がんを治療する放射線療法の一種に、ホウ素中性子捕捉療法（Boron Neutron Capture Therapy；ＢＮＣＴ）がある。ホウ素中性子捕捉療法は、がん細胞に選択的に蓄積させたホウ素化合物に中性子を照射し、^１０Ｂ（ｎ，α）^７Ｌｉの核反応により生成するα粒子やリチウム原子核によってがん細胞を破壊する治療法である。α粒子やリチウム原子核の飛程は細胞の大きさと同程度であるため、ホウ素中性子捕捉療法によると、正常細胞を大きく損傷すること無く、がん細胞のみを選択的に破壊することが可能である。

ホウ素中性子捕捉療法においては、ボロノフェニルアラニン（Borono-phenylalanine；ＢＰＡ）や、ボロカプテイト（Sodium mercapto-undecahydro-dodecaborato；ＢＳＨ）を患者に投与し、これらの化合物が集積されたがん細胞に中性子線を照射する。中性子の反応断面積はエネルギが低いほど大きくなる一方で、患者の組織の深部に到達する程度の高いエネルギも必要とされる。但し、高速中性子のようにエネルギが過大であると、正常細胞までも大きく損傷してしまう。そのため、照射する中性子線は、熱外中性子の強度が高く、高速中性子の混入率は低いことが求められる。

従来、ホウ素中性子捕捉療法は、研究用原子炉を中性子源として実施されることが多かった。しかしながら、研究用原子炉は、運転の開始及び停止に時間が掛かる上に、治療を実施する際に原子炉の運用計画と治療日程とを調整する必要が生じていた。また、既設の研究用原子炉は、維持管理費や寿命の観点から、継続的に利用を続けるのにも将来的に限界がある。そこで、近年、加速器を利用して中性子線を発生させる装置の開発が進められている。

加速器が生成した中性子をホウ素中性子捕捉療法に利用する中性子発生装置は、一般に、荷電粒子線を発生させる加速器と、荷電粒子線が照射されて中性子線を発生するターゲットと、ターゲットが発生した中性子線を減速して被照射体に照射する中性子減速照射装置とを備える。ターゲットには、中性子源として機能するターゲット材が保持され、ターゲット材に陽子線等の荷電粒子線が照射されることにより中性子発生反応が起こる。ターゲット材としては、^７Ｌｉ（ｐ，ｎ）^７Ｂｅの反応を生じるリチウムや、^９Ｂｅ（ｐ，ｎ）^９Ｂ、^９Ｂｅ（ｐ，ｘｎ）の反応を生じるベリリウムや、核破砕反応を生じるタンタル、タングステン等の重金属について検討されている。

リチウムやベリリウムをターゲット材とすると、重金属による核破砕反応と比較してガンマ線の発生が少なくて済むため、遮蔽が容易となり、治療の安全性も高くなる。さらに、リチウムとベリリウムとを比較すると、リチウムは、中性子収率が低く、化学的に不安定であり、融点も低いものの、低い入射陽子エネルギで中性子を発生させることが可能である。つまり、発生する中性子線のエネルギに加えて、二次放射線の発生も低度に抑えられるという優位性を持っている。入射陽子エネルギの閾値は、^９Ｂｅ（ｐ，ｎ）^９Ｂの反応では約２．０６ＭｅＶであるのに対し、^７Ｌｉ（ｐ，ｎ）^７Ｂｅの反応では約１．８８ＭｅＶであり、巨視的断面積はリチウムの方が入射陽子エネルギの全般にわたって大きいといった相違がある。そのため、リチウムは、加速器や中性子減速照射装置を小型化ないし軽量化するのに適したターゲット材として有望視されている。

特開２０１４−０３２１６８号公報

国際原子力機関（International Atomic Energy Agency；ＩＡＥＡ）は、ホウ素中性子捕捉療法に用いる中性子線について設計目標値を設定している。例えば、熱外中性子強度については、治療を短時間に効果的に行う観点から、１×１０^９［ｎ／ｃｍ^２／ｓ］以上を推奨している。また、高速中性子混入率については、正常細胞の損傷を避ける観点から、２×１０^−１３［Ｇｙ／ｃｍ^２］以下を推奨している。

しかしながら、高速中性子の混入率を下げるために減速材の厚さを厚くすると、中性子減速照射装置が高重量化すると共に、減速材を透過して出射される熱外中性子線の強度も低下してしまう。特に、ターゲット材が固体リチウムである場合には、ターゲット材が過剰に加熱されると溶融し、照射損傷や原子数密度の分布に偏りを生じたり、漏出する虞が高くなったりするので、入射陽子エネルギは小さいことが望まれる。そのため、入射陽子エネルギが制約された中で、如何に高速中性子混入率を低減しつつ熱外中性子強度を高めるかが大きな課題となっている。

そこで、本発明は、中性子源が発生した中性子線を減速し、高速中性子の混入率が低減されていながら熱外中性子の強度が高い中性子線を出射することが可能な中性子減速照射装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明に係る中性子減速照射装置は、荷電粒子線が照射されて中性子源が出射した中性子線を減速させる減速材と、前記減速材の周囲を囲む反射材と、前記減速材によって減速された中性子線の照射野を整形するコリメータ部とを備え、前記減速材は、前記荷電粒子線の照射方向における前記中性子源の下流側に配置された本体部と、前記照射方向における前記本体部の上流側に配置されて前記中性子源の周囲を囲む上流部とを有する。

本発明によれば、中性子源が発生した中性子線を減速し、高速中性子の混入率が低減されていながら熱外中性子の強度が高い中性子線を出射することが可能な中性子減速照射装置を提供することができる。中性子減速照射装置から出射される熱外中性子線は、強度が高く高速中性子の混入率が低いため、減速材の厚さを薄くすることが可能である。そのため、軽量且つ小型の中性子減速照射装置を提供することができる。

中性子発生装置の概略構成を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る中性子減速照射装置の縦断面図である。 本発明の第２実施形態に係る中性子減速照射装置の縦断面図である。 本発明の第３実施形態に係る中性子減速照射装置の縦断面図である。 コリメータ部の入口径及び出口径と、熱外中性子強度との関係を示す図である。 コリメータ部の入口径及び出口径と、カレント／フラックス比との関係を示す図である。 コリメータ部の出口径と、熱外中性子強度との関係を示す図である。 コリメータ部の出口径と、カレント／フラックス比との関係を示す図である。 コリメータ部の構造と、熱外中性子強度との関係を示す図である。 コリメータ部の構造と、カレント／フラックス比との関係を示す図である。 減速材の形状と、熱外中性子線強度との関係を示す図である。 減速材の形状と、高速中性子混入率との関係を示す図である。 上流側減速材の厚さ及び長さと、熱外中性子強度との関係を示す図である。 上流側減速材の厚さ及び長さと、中性子空間線量比との関係を示す図である。 下流側減速材の厚さと、熱外中性子強度との関係を示す図である。 下流側減速材の厚さと、減速材本体の厚さとの関係を示す図である。

以下、本発明の一実施形態に係る中性子減速照射装置について、図を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において共通する構成については同一の符号を付して重複した説明を省略する。

［中性子発生装置］
はじめに、本実施形態に係る中性子減速照射装置が備えられる中性子発生装置の概略構成について説明する。

図１は、中性子発生装置の概略構成を示す図である。
図１に示すように、中性子発生装置１００は、荷電粒子線発生装置１と、中性子減速照射装置２と、導管４と、中性子源としてのターゲット５と、を備えている。中性子源としてのターゲット５は、固体リチウムをターゲット材として保持している。この中性子発生装置１００は、ホウ素中性子捕捉療法における中性子線源として好適に用いられる。

中性子発生装置１００において、荷電粒子線発生装置１は、所定のエネルギの陽子線等（荷電粒子線６）を発生する。荷電粒子線６は、導管４を通じてターゲット５に到達し、ターゲット５は、荷電粒子線６を照射されて所定のエネルギ帯域の中性子線を発生させる。そして、中性子減速照射装置２は、ターゲット５が出射する中性子線を減速し、照射野が整形された中性子線９を出射する。中性子減速照射装置２から出射した中性子線９は、被照射体３に照射されて中性子捕獲反応を生じる。すなわち、ホウ素が集積している被照射体３としてのがん細胞に中性子線９が照射されると、核反応により生成したα線やリチウム粒子によってがん細胞が破壊される。

［荷電粒子線発生装置］
荷電粒子線発生装置１は、例えば、荷電粒子線として陽子線を発生する。陽子線を発生する荷電粒子線発生装置１は、図１に示すように、陽子を発生させるイオン源１ａと、陽子を加速する加速器１ｂとを備えて構成される。

イオン源１ａとしては、例えば、電子サイクロトロン共鳴（Electron Cyclotron Resonance；ＥＣＲ）イオン源が用いられる。ＥＣＲイオン源は、強磁場下に水素ガスを導入し、高周波を印加して電子サイクロトロン共鳴を生じさせることにより、水素のプラズマを高密度に生成する。そして、生成した水素イオン（^１Ｈ^＋）は、磁気ミラーによって集積されて引き出される。ＥＣＲイオン源は、無電極放電によるため長時間にわたり安定した運転が可能である。

加速器１ｂとしては、例えば、静電型加速器が用いられる。静電型加速器は、電極間に直流高電圧を印加し、一定した静電界の下で荷電粒子を加速する。静電型加速器によると、連続した荷電粒子線６を発生させることが可能である。静電型加速器としては、例えば、ダイナミトロン型加速器（ＩＢＡ社製等）を用いることができる。また、コッククロフトウォルトン型、バンデグラフ型等の静電型加速器や、サイクロトロン、シンクロトロン等の高周波型加速器を用いることもできる。

［導管］
導管４は、荷電粒子線発生装置１と、ターゲット５との間を接続している。導管４は、荷電粒子線発生装置１が出射した荷電粒子線６を、ターゲット５に導く経路を形成している。導管４には、荷電粒子線６が幅方向に発散するのを抑制する集束レンズ７が設置される。集束レンズ７としては、例えば、複数の四重極電磁石を荷電粒子線６の照射方向に沿って設置し、それぞれの極性を反転させた配置とする。なお、導管４は、図１に示すような直線状の形態に限定されるものでは無く、曲線部を有する任意形状の経路を形成していてもよい。導管４の曲線部には、荷電粒子線６を偏向させる偏向電磁石等を設置することが可能である。

［ターゲット］
ターゲット５は、導管４の先端に設置されている。中性子源としてのターゲット５は、固体リチウムをターゲット材として保持している。固体リチウムからなるターゲット材は、例えば、陽子線を遮蔽するタンタルや、高い熱伝導率を有する銅や、鉄等を組み合わせて構成される金属基板の凹部に保持される。そして、凹部に保持された固体リチウムは、チタン製等の金属箔によって封止され、荷電粒子線６によって溶融したリチウムの漏出が防止される。また、金属基板の内部には、冷却水を通流させてターゲット材を冷却するための冷却材流路が形成される。

ターゲット材であるリチウムは、陽子線を照射されて^７Ｌｉ（ｐ，ｎ）^７Ｂｅの核反応により中性子線を発生する。この核反応に必要となる入射陽子エネルギの閾値は、約１．８８ＭｅＶである。そのため、荷電粒子線発生装置１においては、この閾値以上であり、且つ、エネルギが過大な中性子が発生しない程度の低いエネルギを持った荷電粒子線６を生成する。具体的には、荷電粒子線発生装置１が発生する荷電粒子線６のエネルギは、４．０ＭｅＶ以下、好ましくは３．０ＭｅＶ以下、より好ましくは２．８ＭｅＶ以下の範囲である。また、電流値は、１０ｍＡ以上１００ｍＡ以下、ターゲット材に対する熱負荷を避ける観点から、より好ましくは１０ｍＡ以上２０ｍＡ以下とする。

［第１実施形態］
次に、本発明の第１実施形態に係る中性子減速照射装置の具体的な構成について説明する。

図２は、本発明の第１実施形態に係る中性子減速照射装置の縦断面図である。
図２に示すように、本実施形態に係る中性子減速照射装置２は、減速材（２１Ａ，２１Ｂ）と、反射材２２と、遮蔽材（遮蔽部）２３と、コリメータ部（２４Ａ，２４Ｂ）とを備えている。中性子減速照射装置２は、中性子源としてのターゲット５の周囲を囲み、ターゲット５の下流側にかけて設置されている。中性子減速照射装置２は、ターゲット５が発生した中性子線を減速し、主として熱外中性子線のエネルギ帯域まで減速して、被照射体３に中性子線を照射する。

ターゲット５が発生する中性子線は、そのエネルギに応じて、凡そ、熱中性子（Ｎ_ｔｈｅｒ）と、熱外中性子（Ｎ_ｅｐｉ）と、高速中性子（Ｎ_ｆａｓｔ）とに大別される。本明細書においては、エネルギが０．５ｅＶ以下の中性子を熱中性子（Ｎ_ｔｈｅｒ）、０．５ｅＶを超え１０ｋｅＶ以下の中性子を熱外中性子（Ｎ_ｅｐｉ）、１０ｋｅＶを超える中性子を高速中性子（Ｎ_ｆａｓｔ）と定義する。また、以下の説明において、「下流」及び「上流」の用語は、荷電粒子線６の照射方向（進行方向）における下流及び上流をそれぞれ意味するものとする。

（減速材）
減速材（２１Ａ，２１Ｂ）は、主として、中性子源としてのターゲット５が発生した中性子線を熱外中性子線のエネルギ帯域まで減速させる。図２に示すように、本実施形態に係る減速材（２１Ａ，２１Ｂ）は、減速材本体（本体部）２１Ａと、上流側減速材（上流部）２１Ｂとによって構成されている。

減速材本体２１Ａ及び上流側減速材２１Ｂは、いずれもフッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）からなることが好ましい。フッ化マグネシウムは、単結晶体、及び、単結晶同士が焼結している焼結体のうちのいずれかの組織とされる。また、フッ化マグネシウムは、真密度に対するかため嵩密度（相対密度）が、９５％以上、好ましくは９８％以上、より好ましくは９９％以上とされる。フッ化マグネシウムは、ターゲット５への入射陽子エネルギが１０ＭｅＶ以下である場合に、発生した中性子を効果的に減速させる能力がある。すなわち、減速材（２１Ａ，２１Ｂ）がフッ化マグネシウムからなることにより、ターゲット５が出射した中性子線は主として熱外中性子線のエネルギ帯域まで減速され、高速中性子の大半については吸収される。そのため、高速中性子の混入率が低減され、且つ、強度が高い熱外中性子線を出射させることが可能となる。

減速材本体（本体部）２１Ａは、ターゲット５の下流側に円柱形状ないしは多角柱形状に配置されている。減速材本体２１Ａは、詳細には、荷電粒子線６の照射軸と同心となるように配置され、ターゲット５とも同心となるように配置される。ターゲット５の上流側端面（図１Ｂにおける左端面）は、減速材本体２１Ａの上流側端面から、例えば、２ｃｍから６ｃｍ離隔して配置される。なお、減速材本体２１Ａは、円柱形状ないしは多角柱形状を有する単一体の減速材によって構成してもよいし、円柱形状ないしは多角柱形状を呈するように複数の減速材を組み合わせて構成してもよい。また、減速材本体２１Ａの形状は、荷電粒子線６の照射方向の下流側に向けて縮径する円錐台形状であってもよい。円錐台形状の減速材本体２１Ａは、上流側端面の直径と、下流側端面の直径との比が、１以上３／２以下であることが好ましい。但し、減速材本体２１Ａの成形を容易にする観点からは、円柱形状ないしは多角柱形状が好ましい。

減速材本体２１Ａは、厚さ（荷電粒子線６の照射方向の長さ）（Ｌ_Ｂ）が、２０．０ｃｍ以上３５．０ｃｍ以下であることが好ましく、この実施形態においては、２５．７ｃｍ以上３２．７ｃｍ以下であることがより好ましく、２５．７ｃｍ以上２９．３ｃｍ以下であることがさらに好ましい。厚さ（Ｌ_Ｂ）がこのような範囲であると、中性子減速照射装置２から出射される中性子線について高速中性子の混入率を２×１０^−１３［Ｇｙ／ｃｍ^２］以下にしつつ、熱外中性子線の強度を最大化することができる。

減速材本体２１Ａは、直径（荷電粒子線６の照射軸に対する法線方向の長さ）（Ｒ_Ｂ）が、減速材本体２１Ａの厚さ（Ｌ_Ｂ）の１０／７〜２倍であることが好ましい。直径（Ｒ_Ｂ）がこのような範囲であると、ターゲット５が出射した中性子線が効果的に減速されてコリメータ部の開口１２４ａに到達する。そのため、中性子減速照射装置２から出射される中性子線について高速中性子の混入率を十分に低減させることができる。直径（Ｒ_Ｂ）は、より具体的には、４０ｃｍ以上６０ｃｍ以下であることが好ましく、４８ｃｍ以上５２ｃｍ以下であることがより好ましい。

上流側減速材（上流部）２１Ｂは、減速材本体２１Ａの上流側端面から上流側に向けて同心の円筒形状ないしは多角筒形状に配置されている。上流側減速材２１Ｂの下流側端面は、減速材本体２１Ａの上流側端面に密接しており、上流側減速材２１Ｂは、ターゲット５を円筒形状ないしは多角筒形状の内側に内包してターゲット５の周囲を囲んでいる。上流側減速材２１Ｂは、詳細には、減速材本体２１Ａと同心となるように配置され、荷電粒子線６の照射軸とも同心となるように配置されている。なお、上流側減速材２１Ｂは、円筒形状ないしは多角筒形状を有する単一体の減速材によって構成してもよいし、円筒形状ないしは多角筒形状を呈するように複数の減速材を組み合わせて構成してもよいし、減速材本体２１Ａと一体に成形してもよい。

上流側減速材２１Ｂは、周壁の厚さ（外形と内径との差）（Ｒ_Ｕ）が、減速材本体２１Ａの直径（Ｒ_Ｂ）の１／６〜２／５倍であることが好ましい。周壁の厚さ（Ｒ_Ｕ）がこのような範囲であると、ターゲット５が荷電粒子線６の照射軸に対する法線方向や上流側に向けて出射した中性子線が効果的に減速されると共に、上流側減速材２１Ｂの寸法を小型に抑えることができる。周壁の厚さ（Ｒ_Ｕ）は、より具体的には、８ｃｍ以上２０ｃｍ以下であることが好ましく、９ｃｍ以上２０ｃｍ以下であることがより好ましい。

上流側減速材２１Ｂは、荷電粒子線６の照射方向の長さ（Ｌ_Ｕ）が、減速材本体２１Ａの厚さ（Ｌ_Ｂ）の１／４〜４／５倍であることが好ましい。長さ（Ｌ_Ｕ）がこのような範囲であると、ターゲット５が、荷電粒子線６の照射軸に対する法線方向や上流側に向けて出射した中性子線が効果的に減速されると共に、上流側減速材２１Ｂの寸法を小型に抑えることができる。長さ（Ｌ_Ｕ）は、より具体的には、８ｃｍ以上２０ｃｍ以下であることが好ましく、９ｃｍ以上２０ｃｍ以下であることがより好ましい。

（反射材）
反射材２２は、減速材（２１Ａ，２１Ｂ）の周囲を囲んでおり、中性子源としてのターゲット５が出射した中性子線を反射する。詳細には、反射材２２は、減速材本体２１Ａ及び上流側減速材２１Ｂの径方向の外側に配置され、減速材本体２１Ａ及び上流側減速材２１Ｂを外側から覆っている。また、反射材２２は、上流側減速材２１Ｂの上流側端面を上流側からも覆っている。反射材２２の上流側端面には、荷電粒子線６の照射軸と同心となるように、断面形状が円形の開口が形成されている。この開口の内面と上流側減速材２１Ｂの内周面とは略面一に設けられており、反射材及び減速材に内包されたターゲット５に至る荷電粒子線６の経路が形成されている。

反射材２２は、中性子の散乱断面積が大きい材料によって形成される。反射材２２の材料としては、例えば、黒鉛、鉄、鉛、ベリリウム等が挙げられる。反射材２２は、中性子の散乱断面積が大きい一方、中性子の吸収断面積が小さいことが好ましく、鉛製又は鉛−ビスマス合金等の鉛合金製であることが特に好ましい。このような材料で反射材２２を形成することにより、ターゲット５が荷電粒子線６の照射軸に対する法線方向や上流側に向けて出射した中性子線を、高い反射率で反射させてコリメータ部の開口１２４ａに到達させることができる。そのため、中性子減速照射装置２から出射される熱外中性子線の強度を高めることができる。

（遮蔽材）
遮蔽材（遮蔽部）２３は、主として、減速材（２１Ａ，２１Ｂ）から出射される高速中性子線及びガンマ線を遮蔽する。遮蔽材２３は、減速材本体２１Ａ及び反射材２２の下流側に配置されている。遮蔽材２３は、詳細には、略面一に設けられている減速材本体２１Ａの下流側端面と、反射材２２の下流側端面とにそれぞれ密接している。

遮蔽材２３は、中性子の捕獲反応断面積が大きく、中性子の吸収能が高い材料や、ガンマ線の遮蔽能が高い材料によって形成される。遮蔽材２３の材料としては、例えば、カドミウム、インジウム、ハフニウム、ガドリニウム、ビスマス、鉛、鉄、フッ化鉛、炭化ホウ素をはじめとするホウ素化合物、パラフィン、水、フッ化リチウム−ポリエチレン、ホウ素−ポリエチレン等が挙げられる。遮蔽材２３は、これらの材料のうちの一種以上を積層して多層構造の遮蔽材２３としてもよいが、カドミウム製又はカドミウム合金製の遮蔽材を備えることが特に好ましい。このような材料で遮蔽材２３を形成することにより、減速材（２１Ａ，２１Ｂ）から出射される低いエネルギの中性子を効果的に吸収する一方、熱外中性子線については高い強度に維持することが可能となる。また、カドミウム製又はカドミウム合金製の遮蔽材のみで構成してもよいし、ビスマス製の遮蔽材を併用してもよい。このような材料を併用すると、ガンマ線の遮蔽を効果的に行うことができる。

遮蔽材２３は、厚さ（荷電粒子線６の照射方向の長さ）が、０．００５ｃｍ以上０．２ｃｍ以下であることが好ましく、０．００５ｃｍ以上０．１５ｃｍ以下であることがより好ましく、０．００８ｃｍ以上０．０１２ｃｍ以下であることがさらに好ましい。カドミウム製又はカドミウム合金製の遮蔽材については、０．００５ｃｍ以上０．０５ｃｍ以下であることがより好ましく、ビスマス製の遮蔽材については、０．００５ｃｍ以上０．１５ｃｍ以下であることがより好ましい。、厚さがこのような範囲であると、中性子減速照射装置２から出射される熱外中性子線の強度を維持しつつ、低いエネルギの中性子を効果的に吸収し、中性子減速照射装置２から出射される熱中性子線を十分に低減させることができる。また、遮蔽材が薄肉化されて二次ガンマ線源が減少するので、中性子減速照射装置２から出射される中性子線についてガンマ線の混入率を低減させることができる。

（コリメータ部）
コリメータ部（２４Ａ，２４Ｂ）は、減速材（２１Ａ，２１Ｂ）によって減速され、遮蔽材２３を透過した中性子線の照射野を整形する。コリメータ部（２４Ａ，２４Ｂ）は、上流側部材２４Ａと、下流側部材２４Ｂとによって構成されている。コリメータ部（２４Ａ，２４Ｂ）は、下流側に向かってテーパ状に縮径する開口１２４ａを有している。開口１２４ａは、荷電粒子線６の照射軸と同心となるように、コリメータ部（２４Ａ，２４Ｂ）を貫通して設けられている。そのため、減速材（２１Ａ，２１Ｂ）によって減速され、遮蔽材２３を透過した中性子線は、照射野が開口１２４ａに沿って絞られる。

上流側部材２４Ａは、反射材２２及び減速材本体２１Ａの下流側に円筒形状ないしは多角筒形状に配置されている。上流側部材２４Ａは、コリメータ部の開口１２４ａが、減速材本体２１Ａと同心となるように配置されている。なお、上流側部材２４Ａは、円筒形状ないしは多角筒形状を有する単一体の部材によって構成してもよいし、円筒形状ないしは多角筒形状を呈するように複数の部材を組み合わせて構成してもよい。

上流側部材２４Ａは、中性子の散乱断面積が大きい材料ないし中性子の吸収能が高い材料によって形成される。上流側部材２４Ａの材料としては、例えば、黒鉛、鉄、鉛、ベリリウム、カドミウム、インジウム、ハフニウム、ガドリニウム、ビスマス、フッ化鉛、炭化ホウ素をはじめとするホウ素化合物、パラフィン、水、フッ化リチウム−ポリエチレン、ホウ素−ポリエチレン等が挙げられる。このような材料で下流側部材２４Ｂを形成することにより、コリメータ部（２４Ａ，２４Ｂ）を透過する中性子線等を効果的に遮蔽することができる。

上流側部材２４Ａは、上流側端面における内径（Ｄ_１）が、減速材本体２１Ａの直径（Ｒ_Ｂ）の４／５〜１倍であることが好ましい。内径（Ｄ_１）がこのような範囲であると、コリメータ部の開口１２４ａに入射する中性子束が高くなるので、中性子減速照射装置２から出射される熱外中性子線の強度を高めることができる。内径（Ｄ_１）は、より具体的には、４０ｃｍ以上６０ｃｍ以下であることが好ましく、４８ｃｍ以上５２ｃｍ以下であることがより好ましく、減速材本体２１Ａの直径（Ｒ_Ｂ）と同径であることが特に好ましい。詳細には、熱外中性子線及び高速中性子線は、荷電粒子線６の照射軸から離れるほど強度が低下するものの、高速中性子線のみが、内径（Ｄ_１）が５０ｃｍを超える範囲に極大値を有しているため、内径（Ｄ_１）が５０ｃｍよりも大きくなると、高速中性子線の強度がやや増大する。そのため、内径（Ｄ_１）がこのような範囲であると、中性子減速照射装置２から出射される中性子線について高速中性子の混入率を低減しながらも、熱外中性子線の強度を高めることができる。

下流側部材２４Ｂは、上流側部材２４Ａの下流側に、上流側部材２４Ａの下流側端面に密接して円筒形状ないしは多角筒形状に配置されている。下流側部材２４Ｂは、詳細には、コリメータ部の開口１２４ａが、減速材本体２１Ａと同心となるように配置されている。なお、下流側部材２４Ｂは、円筒形状ないしは多角筒形状を有する単一体の部材によって構成してもよいし、円筒形状ないしは多角筒形状を呈するように複数の部材を組み合わせて構成してもよい。

下流側部材２４Ｂは、中性子の散乱断面積が大きい材料ないし中性子の吸収能が高い材料によって形成される。下流側部材２４Ｂの材料としては、例えば、黒鉛、鉄、鉛、ベリリウム、カドミウム、インジウム、ハフニウム、ガドリニウム、ビスマス、フッ化鉛、炭化ホウ素をはじめとするホウ素化合物、パラフィン、水、フッ化リチウム−ポリエチレン、ホウ素−ポリエチレン等が挙げられる。このような材料で下流側部材２４Ｂを形成することにより、コリメータ部（２４Ａ，２４Ｂ）を透過する中性子線等を効果的に遮蔽し、中性子を照射しなくてよい正常組織への中性子線量を低減することができる。

下流側部材２４Ｂは、下流側端面における内径（Ｄ_２）が、上流側部材２４Ａの上流側端面の内径（Ｄ_１）の１／５〜１／３倍であることが好ましい。内径（Ｄ_２）がこのような範囲であると、コリメータ部の開口１２４ａによって中性子線が大きく整形されるので、中性子減速照射装置２から出射される中性子線の直進性を高くすることができる。内径（Ｄ_２）は、より具体的には、８ｃｍ以上２０ｃｍ以下であることが好ましく、９ｃｍ以上１５ｃｍ以下であることがより好ましい。

コリメータ部（２４Ａ，２４Ｂ）の好ましい形態は、鉛製若しくは鉛−ビスマス合金等の鉛合金製の上流側部材２４Ａ（反射材）と、フッ化リチウム−ポリエチレン製の下流側部材２４Ｂ（遮蔽材）との組み合わせ、又は、フッ化リチウム−ポリエチレン製の上流側部材２４Ａ（遮蔽材）と、鉛製若しくは鉛−ビスマス合金等の鉛合金製の下流側部材２４Ｂ（反射材）との組み合わせによって形成したものである。このような形態であると、コリメータ部の開口１２４ａの出口周辺において中性子線やガンマ線の空間線量を低減させつつ、中性子減速照射装置２から出射される熱外中性子線の強度を高めることができる。また、中性子減速照射装置２から出射される中性子線の直進性を高くすることができる。

コリメータ部（２４Ａ，２４Ｂ）の更に好ましい形態は、鉛製若しくは鉛−ビスマス合金等の鉛合金製の上流側部材２４Ａ（反射材）と、フッ化リチウム−ポリエチレン製の下流側部材２４Ｂ（遮蔽材）との組み合わせによって形成したものである。このような形態であると、逆の配置にした形態と比較して、熱外中性子が上流側部材２４Ａを通過して出射口に導くことができるとともに、熱中性子の混入率をより低減することができる。そのため、高速中性子の混入率を低減しながらも、減速材を薄肉化することが可能となる。また、この形態において、上流側部材２４Ａは、コリメータ部の開口１２４ａの周壁を形成する内側を厚肉に設けると共に、コリメータ部の開口１２４ａから離れた外側を内側よりも薄肉に設けることも可能である。このように上流側部材２４Ａを薄くしても、中性子減速照射装置２から出射される中性子線の直進性を高くすることができる。また、フッ化リチウム−ポリエチレン製の下流側部材２４Ｂの外側をその分、厚肉化することが可能になるので、外側の遮蔽性を高めることができる。

上流側部材２４Ａは、荷電粒子線６の照射方向の長さ（Ｌ_１）が、減速材本体２１Ａの厚さ（Ｌ_Ｂ）の１／７〜２／５倍であることが好ましい。長さ（Ｌ_１）は、より具体的には、３．５ｃｍ以上１４ｃｍ以下であることが好ましく、４ｃｍ以上６ｃｍ以下であることがより好ましい。また、下流側部材２４Ｂは、荷電粒子線６の照射方向の長さ（Ｌ_２）が、減速材本体２１Ａの厚さ（Ｌ_Ｂ）の１／７〜２／５倍であることが好ましい。長さ（Ｌ_２）は、より具体的には、３．５ｃｍ以上１４ｃｍ以下であることが好ましく、４ｃｍ以上１２ｃｍ以下であることがより好ましい。

以上の本実施形態に係る中性子減速照射装置２によると、ターゲット５の周囲を囲む上流側減速材２１Ｂ（上流部）が備えられているため、ターゲット５が上流側からも減速材によって覆われる。そのため、ターゲット５が荷電粒子線６の照射軸に対する法線方向や上流側に向けて出射した中性子線の一部は、長い飛跡をたどってコリメータ部の開口１２４ａに到達するが、上流側減速体２１Ｂを設置することで中性子線が効果的に減速される。それ故、中性子減速照射装置２から出射される中性子線において、特に照射軸に対して法線方向や上流側に向けて出射した高速中性子の混入率を十分に低減することができる。この結果、コリメータ部の開口１２４ａに流入する高速中性子成分が十分低減されることになり減速材を薄肉化することが可能となるので、減速材の薄肉化によって中性子減速照射装置２から出射される熱外中性子線の強度も高めることができる。また、中性子減速照射装置２を小型且つ軽量にすることができる。一例として、減速材本体２１Ａの厚さ（Ｌ_Ｂ）を、上流側減速材２１Ｂを備えない場合と比較して、３．４ｃｍ程度短縮することが可能である。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る中性子減速照射装置の具体的な構成について説明する。

図３は、本発明の第２実施形態に係る中性子減速照射装置の縦断面図である。
図３に示すように、本実施形態に係る中性子減速照射装置２Ａは、減速材（２１Ａ，２１Ｂ）と、反射材２２と、遮蔽材（遮蔽部）２３と、コリメータ部（２４Ａ，２４Ｃ，２４Ｄ）とを備えている。中性子減速照射装置２Ａが、前記の実施形態に係る中性子減速照射装置２と異なるのは、コリメータ部の上流側部材２４Ａの下流側に、下流側内部材２４Ｃと、下流側外部材２４Ｄとを備えている点である。なお、その他の構成は、前記の実施形態と同様である。

下流側内部材２４Ｃと、下流側外部材２４Ｄとは、上流側部材２４Ａの下流側に、上流側部材２４Ａの下流側端面に密接して円筒形状ないしは多角筒形状にそれぞれ配置されている。下流側内部材２４Ｃは、円筒形状ないしは多角筒形状の内面が開口１２４ａを形成しており、下流側外部材２４Ｄは、下流側内部材２４Ｃの径方向の外側に密接して配置されている。下流側内部材２４Ｃ及び下流側外部材２４Ｄは、詳細には、開口１２４ａが、減速材本体２１Ａと同心となるようにそれぞれ配置されている。なお、下流側内部材２４Ｃ及び下流側外部材２４Ｄのそれぞれは、円筒形状ないしは多角筒形状を有する単一体の部材によって構成してもよいし、円筒形状ないしは多角筒形状を呈するように複数の部材を組み合わせて構成してもよい。

上流側部材２４Ａと、下流側内部材２４Ｃとは、中性子の散乱断面積が大きい材料によって形成される。上流側部材２４Ａ及び下流側内部材２４Ｃの材料としては、例えば、黒鉛、鉄、鉛、ベリリウム等が挙げられる。上流側部材２４Ａ及び下流側内部材２４Ｃは、中性子の散乱断面積が大きい一方、中性子の吸収断面積が小さいことが好ましく、鉛製又は鉛−ビスマス合金等の鉛合金製であることが特に好ましい。このような材料で上流側部材２４Ａ及び下流側内部材２４Ｃを形成することにより、コリメータ部の開口１２４ａを通じて、中性子減速照射装置２から出射される熱外中性子線の強度を高めることができる。また、中性子減速照射装置２から出射される中性子線についてガンマ線の混入率を低減することができる。なお、上流側部材２４Ａと下流側内部材２４Ｃとは、一体にしてもよい。

下流側外部材２４Ｄは、中性子の捕獲反応断面積が大きく、中性子の吸収能が高い材料によって形成される。下流側外部材２４Ｄの材料としては、例えば、カドミウム、インジウム、ハフニウム、ガドリニウム、ビスマス、フッ化鉛、炭化ホウ素をはじめとするホウ素化合物、パラフィン、水、フッ化リチウム−ポリエチレン、ホウ素−ポリエチレン等が挙げられる。下流側外部材２４Ｄは、フッ化リチウム−ポリエチレン製であることが特に好ましい。このような材料で下流側外部材２４Ｄを形成することにより、コリメータ部の開口１２４ａの出口周辺において中性子線の空間線量を確実に低減させることができる。

上流側部材２４Ａは、下流側内部材２４Ｃが備えられるとき、荷電粒子線６の照射方向の長さ（Ｌ_１）が、減速材本体２１Ａの厚さ（Ｌ_Ｂ）の１／７〜２／５倍であることが好ましい。また、下流側内部材２４Ｃ及び下流側外部材２４Ｄは、荷電粒子線６の照射方向の長さ（Ｌ_２）が、減速材本体２１Ａの厚さ（Ｌ_Ｂ）の１／２５〜５／７倍であることが好ましい。上流側部材２４Ａの照射方向の長さ（Ｌ_１）が長いほど、中性子減速照射装置２から出射される熱外中性子線の強度は高くなる。また、中性子減速照射装置２から出射される中性子線について熱中性子の混入率が低減される。一方、上流側部材２４Ａの照射方向の長さ（Ｌ_１）が短いほど、中性子減速照射装置２から出射される中性子線の直進性が高くなる。また、下流側内部材２４Ｃにより、コリメータ部の開口１２４ａの出口周辺において中性子線やガンマ線の空間線量が大きく低減する。そのため、上流側部材２４Ａの長さ（Ｌ_１）や、下流側内部材２４Ｃ及び下流側外部材２４Ｄの長さ（Ｌ_２）がこのような範囲であると、熱外中性子線の強度を高めて減速材を薄肉化しつつ、開口１２４ａの出口周辺の空間線量については低減することが可能となる。上流側部材２４Ａの長さ（Ｌ_１）は、より具体的には、３．５ｃｍ以上１４ｃｍ以下であることが好ましく、８ｃｍ以上１２ｃｍ以下であることがより好ましい。また、下流側内部材２４Ｃ及び下流側外部材２４Ｄの長さ（Ｌ_２）は、より具体的には、１ｃｍ以上１０ｃｍ以下であることが好ましく、４ｃｍ以上６ｃｍ以下であることがより好ましい。

下流側内部材２４Ｃは、周壁の厚さ（外形と内径との差）（Ｒ_２）が、下流側端面の内径（Ｄ_２）の１／４〜１倍であることが好ましい。周壁の厚さ（Ｒ_２）が厚いほど、中性子減速照射装置２から出射される熱外中性子線の強度は高くなる。また、コリメータ部の開口１２４ａの出口周辺において中性子線やガンマ線の空間線量が大きく低減する。一方、周壁の厚さ（Ｒ_２）が薄いほど、中性子減速照射装置２から出射される中性子線について高速中性子の混入率が低減する。また、中性子減速照射装置２から出射される中性子線の直進性が高くなる。そのため、周壁の厚さ（Ｒ_２）がこのような範囲であると、熱外中性子線の強度を高めて減速材を薄肉化しつつ、開口１２４ａの出口周辺の空間線量については低減することが可能となる。周壁の厚さ（Ｒ_２）は、より具体的には、２ｃｍ以上１６ｃｍ以下であることが好ましく、４ｃｍ以上１２ｃｍ以下であることがより好ましい。

以上の本実施形態に係る中性子減速照射装置２Ａによると、コリメータ部の上流側部材２４Ａの下流側に、中性子の散乱断面積が大きい材料によって形成された下流側内部材２４Ｃが備えられているため、エネルギが保存された熱外中性子線が高い強度で開口１２４ａから出射される。また、コリメータ部の上流側部材２４Ａの下流側に、中性子の吸収能が高い材料によって形成された下流側外部材２４Ｄが備えられているため、中性子減速照射装置２から出射される熱外中性子線の強度を高めつつ、コリメータ部の開口１２４ａの出口周辺の空間線量を低減することができる。取り分け、上流側部材２４Ａ及び下流側内部材２４Ｃを鉛又は鉛合金とすると、コリメータ部の開口１２４ａの全面が鉛製又は鉛合金製の反射材で形成されるため、中性子減速照射装置２から出射される熱外中性子線の強度を大きく高めつつ、出口周辺における空間線量を低減させることが可能である。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態に係る中性子減速照射装置の具体的な構成について説明する。

図４は、本発明の第３実施形態に係る中性子減速照射装置の縦断面図である。
図４に示すように、本実施形態に係る中性子減速照射装置２Ｂは、減速材（２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ）と、反射材２２と、遮蔽材（遮蔽部）２３Ａと、コリメータ部（２４Ａ，２４Ｃ，２４Ｄ）とを備えている。中性子減速照射装置２Ｂが、前記の実施形態に係る中性子減速照射装置２Ａと異なるのは、減速材本体２１Ａの下流側に、下流側減速材２１Ｃと、遮蔽材２３Ａとを備えている点である。なお、図４においては、上流側減速材２１Ｂの周壁の厚さ（Ｒ_Ｕ）が異なる形態を例示しているが、その他の構成は、前記の実施形態と同様である。

下流側減速材（下流部）２１Ｃは、減速材本体２１Ａの下流側端面から下流側に向かって円錐台形状に配置されており、コリメータ部が有する開口１２４ａに囲まれている。下流側減速材２１Ｃの上流側端面は、減速材本体２１Ａの下流側端面に密接しており、下流側減速材２１Ｃの円錐台形状の周面は、コリメータ部の開口１２４ａに密接している。下流側減速材２１Ｃは、詳細には、減速材本体２１Ａと同心となるように配置され、荷電粒子線６の照射軸とも同心となるように配置されている。なお、下流側減速材２１Ｃは、円錐台形状を有する単一体の減速材によって構成してもよいし、円錐台形状を呈するように複数の減速材を組み合わせて構成してもよいし、減速材本体２１Ａと一体に成形してもよい。下流側減速材２１Ｃは、減速材本体２１Ａと同様のフッ化マグネシウムからなることが好ましい。

下流側減速材２１Ｃは、荷電粒子線６の照射方向の長さ（Ｌ_Ｄ）が、減速材本体２１Ａの厚さ（Ｌ_Ｂ）の１／３０〜２／５倍であることが好ましい。長さ（Ｌ_Ｄ）がこのような範囲であると、ターゲット５が出射した中性子線が照射野を整形されながら効果的に減速される。それ故、高速中性子の混入率を低減しながらも、減速材をさらに薄肉化することが可能となり、中性子減速照射装置２から出射される熱外中性子線の強度も高めることができる。また、中性子減速照射装置２をさらに小型且つ軽量にすることができる。長さ（Ｌ_Ｄ）は、より具体的には、１ｃｍ以上１０ｃｍ以下であることが好ましく、１ｃｍ以上４．５ｃｍ以下であることがより好ましく、３．５ｃｍ以上４．５ｃｍ以下であることがさらに好ましい。

遮蔽材（遮蔽部）２３Ａは、主として、減速材（２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ）から出射される高速中性子線及びガンマ線を遮蔽する。遮蔽材２３Ａは、下流側減速材２１Ｃの下流側に配置されている。遮蔽材２３Ａは、詳細には、下流側減速材２１Ｃの下流側端面に密接している。遮蔽材２３Ａの材料や、厚さは、前記の実施形態における遮蔽材２３と同様である。遮蔽材２３Ａは、カドミウム製又はカドミウム合金製の遮蔽材を備えることが特に好ましい。また、カドミウム製又はカドミウム合金製の遮蔽材のみで構成してもよいし、ビスマス製の遮蔽材を併用してもよい。

以上の本実施形態に係る中性子減速照射装置２Ｂによると、減速材本体２１Ａの下流側に、下流側減速材２１Ｃが備えられているため、コリメータ部の開口１２４ａに入射した中性子が整形されながら効果的に減速される。そのため、高速中性子の混入率を確実に低減しつつ、強度が高い熱外中性子線を出射させることが可能となる。すなわち、高速中性子の混入率を低減しながらも、減速材を薄肉化することが可能となり、中性子減速照射装置２を小型且つ軽量にすることができる。一例として、減速材本体２１Ａの厚さ（Ｌ_Ｂ）を、図３に示す形態と比較して、３．６ｃｍから５．５ｃｍ程度短縮することが可能である。

なお、以上の実施形態に係る中性子減速照射装置は、本発明に趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変形、構成の置換、構成の省略等を行うことが可能である。

例えば、前記の中性子減速照射装置２、中性子減速照射装置２Ａ、及び、中性子減速照射装置２Ｂの構成を相互に置き換えることができる。例えば、図２に示す構成に、下流側減速材２１Ｃを付加してもよい。下流側減速材２１Ｃを付加することにより、コリメータ部の開口１２４ａに入射した中性子を整形させながら減速させることができる。また、このとき、上流側部材２４Ａについて、コリメータ部の開口１２４ａの周壁を形成する内側を厚肉に設けると共に、コリメータ部の開口１２４ａから離れた外側を内側よりも薄肉に設け、薄肉に設けた減肉部に遮蔽材や反射材を設けてもよい。

また、前記の実施形態における減速材（２１Ａ，２１Ｂ）は、反射材２２と直接的に接して配置されている。しかしながら、減速材（２１Ａ，２１Ｂ）は、反射材２２との間に、接面にそって補強材を介装されていてもよい。補強材は、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金をはじめとする軽金属、その他の金属材、炭素材等によって形成することができる。補強材の厚さは、例えば、０．５ｃｍ以上２ｃｍ以下の範囲などにすることができる。減速材（２１Ａ，２１Ｂ）を補強材で覆うことにより、中性子減速照射装置の構造を安定化させることが可能である。

また、前記の実施形態における減速材（２１Ａ，２１Ｂ）は、円筒形状ないしは多角筒形状に配置され、減速材（２１Ｃ）は、円錐台形状に配置されている。しかしながら、減速材（２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ）は、概略配置が保たれていれば、縦断面上ないし横断面上において不連続な配置であってもよい。例えば、部分円形状又は棒状の減速材（２１Ａ，２１Ｂ）を周方向に間隔を空けて複数配置して概略円形状にする等してもよい。空けられた隙間には反射材等を配置することができる。

以下、実施例を示して本発明について具体的に説明するが、本発明の技術的範囲はこれに限定されるものではない。

中性子減速照射装置の幾何学的構造について、シミュレーションによる解析を行った結果を示す。なお、以下の解析においては、モンテカルロ法によって計算シミュレーションを行っている。

計算コードは、ＰＨＩＴＳ （ｖｅｒ．２．６６０）、核データは、ＥＮＤＦ／Ｂ−ＶＩＩ．１を使用した。中性子源としては、１５ｃｍ径の平板のリチウムのターゲットを減速材の上流側端面の近傍に設定し、中性子のエネルギと出射角度とは、ＬＩＹＩＬＥＤを用いて計算した。また、ターゲットとしては、上流側から下流側に向けて、チタン０．０１ｍｍ、リチウム０．１４ｍｍ、タンタル０．３６ｍｍ、銅１．５ｍｍ、水５．０ｍｍ、銅３．０ｍｍが順に積層された形態を想定した。また、中性子は、ターゲットの平板の上流側端面から０．００１１ｃｍの深さにおいて半値幅３．７５ｃｍのガウス分布で発生するものとした。

減速材の性能は、中性子減速照射装置から出射され、「Ｔａｌｌｙ」において計測される中性子線につき、ＩＡＥＡが設定している設計目標値を指標として評価した。具体的には、以下に挙げる、熱外中性子強度、高速中性子混入率、カレント／フラックス比、中性子空間線量率を評価した。計算粒子数は、評価項目の相対不確かさが３％未満となる１０^８とし、統計が不十分な場合は、計算粒子数を増やして解析を行った。なお、「Ｔａｌｌｙ」は、シミュレーション上の仮想的な検出部位である。「Ｔａｌｌｙ」は、１０ｃｍ径の円形状の平面であり、コリメータ部の出口から２．５ｃｍ離隔した位置に同心に配置して、出射される中性子線等の検出を行うものとした。

熱外中性子強度（Ｎ_ｅｐｉ）は、０．５ｅＶより高く、１０ｋｅＶ以下のエネルギーを持つ中性子束の積分値として定義される。熱外中性子強度（Ｎ_ｅｐｉ）の評価は、１×１０^９［ｎ／ｃｍ^２／ｓ］以上を目標値とした。

高速中性子混入率（Ｄ_ｆ）は、高速中性子が付与する吸収線量と熱外中性子束の比であり、次の数式１によって定義される。Ｎ_ｆａｓｔは、高速中性子強度、Ｋ_ｎは、中性子カーマ系数である。高速中性子混入率（Ｄ_ｆ）の評価は、２×１０^−１３［Ｇｙ／ｃｍ^２］以下を目標値とした。

ガンマ線混入率（Ｄ_ｇ）は、ガンマ線が付与する吸収線量と熱外中性子束の比であり、次の数式２によって定義される。Ｇは、全エネルギにおけるガンマ線線量、Ｋ_ｇは、ガンマ線カーマ系数である。ガンマ線混入率（Ｄ_ｇ）の評価は、２×１０^−１３［Ｇｙ／ｃｍ^２］以下を目標値とした。

熱中性子比（Ｎ_ｔ／ｅ）は、熱中性子束と熱外中性子束の比であり、次の数式３によって定義される。熱中性子比（Ｎ_ｔ／ｅ）の評価は、０．０５以下を目標値とした。

カレント／フラックス比（Ｃ／Ｆ比）は、中性子線の直進性を示す指標であり、次の数式４によって定義される。θは、「Ｔａｌｌｙ」への入射角に相当し、Ｔａｌｌｙの法線と中性子線の入射方向とが成す角を示す。カレント／フラックス比（Ｃ／Ｆ比）の評価は、０．７以上を目標値とした。

中性子空間線量率（Ｓ_ｎ）は、コリメータ部の出口周辺の空間線量率分布を示す指標であり、次の数式５によって定義される。ｒは、「Ｔａｌｌｙ」の中心を原点とする径方向の距離である。Ｗ_Ｒは、次の数式６によって定義される放射線加重係数である。中性子空間線量率（Ｓ_ｎ）の評価は、ｒ＝２５ｃｍにおいて０．０１以下を目標値とした。

はじめに、コリメータ部の形状について評価した。具体的には、コリメータ部の開口１２４ａの入口径（上流側部材２４Ａの上流側端面の内径（Ｄ_１））、出口径（下流側部材２４Ｂの下流側端面の内径（Ｄ_２））を変数とし、高速中性子混入率（Ｄ_ｆ）が、２×１０^−１３［Ｇｙ／ｃｍ^２］以下との目標値を充足するように減速材の厚さを変えて解析した。

なお、中性子減速照射装置は、図２に示す形態において、減速材として直径５０ｃｍの減速材本体２１Ａのみを備え、上流側減速材２１Ｂを備えないものとした。遮蔽材２３は、上流側から順に、０．１ｃｍのカドミウム板、１ｃｍのビスマス板を積層し、コリメータ部は、５ｃｍのフッ化リチウム−ポリエチレン製の上流側部材２４Ａと、５ｃｍの鉛製の下流側部材２４Ｂとにより構成した。また、中性子減速照射装置の全径は、１００ｃｍ、ターゲット５を備える反射材２２の開口は、直径２０ｃｍ、長さ３７ｃｍとした。

図５は、コリメータ部の入口径及び出口径と、熱外中性子強度との関係を示す図である。また、図６は、コリメータ部の入口径及び出口径と、カレント／フラックス比との関係を示す図である。
図５及び図６において、横軸は、コリメータ部の入口径（上流側部材２４Ａの上流側端面の内径（Ｄ_１））［ｃｍ］−出口径（下流側部材２４Ｂの下流側端面の内径（Ｄ_２））［ｃｍ］を示す。図５における、縦軸は、熱外中性子強度（Ｎ_ｅｐｉ）［×１０^９ ｎ／ｃｍ^２／ｓ］を示し、図６における、縦軸は、カレント／フラックス比（Ｃ／Ｆ比）を示す。

図５及び図６に示すように、入口径５０［ｃｍ］−出口径１０［ｃｍ］において、熱外中性子強度（Ｎ_ｅｐｉ）が最大となり、カレント／フラックス比（Ｃ／Ｆ比）は破線で示す目標値を上回った。また、いずれの組み合わせにおいても、ガンマ線混入率（Ｄ_ｇ）及び熱中性子比（Ｎ_ｔ／ｅ）は目標値を充足した。但し、中性子空間線量率（Ｓ_ｎ）は、凡そ０．１となり、目標値を充足しなかった。

続いて、コリメータ部の開口１２４ａの入口径（上流側部材２４Ａの上流側端面の内径（Ｄ_１））を５０ｃｍに固定し、出口径（下流側部材２４Ｂの下流側端面の内径（Ｄ_２））を変化させて解析した。

図７は、コリメータ部の出口径と、熱外中性子線強度との関係を示す図である。また、図８は、コリメータ部の出口径と、カレント／フラックス比との関係を示す図である。
図７及び図８において、横軸は、コリメータ部の出口径（下流側部材２４Ｂの下流側端面の内径（Ｄ_２））［ｃｍ］を示す。図７における、縦軸は、熱外中性子強度（Ｎ_ｅｐｉ）［×１０^９ ｎ／ｃｍ^２／ｓ］を示し、図８における、縦軸は、カレント／フラックス比（Ｃ／Ｆ比）を示す。

図７に示すように、出口径が９〜１５ｃｍであるとき、熱外中性子強度（Ｎ_ｅｐｉ）が高くなっている。一方、図８に示すように、カレント／フラックス比（Ｃ／Ｆ比）は、出口径が凡そ１１ｃｍ以下において破線で示す目標値を上回った。以上のとおり、入口径が５０ｃｍであり、出口径が１０ｃｍである組み合わせが優れる結果となった。

次に、コリメータ部の構造について評価した。具体的には、フッ化リチウム−ポリエチレン製の下流側内部材２４Ｃを備える場合と、鉛製の下流側内部材２４Ｃを備える場合とを、下流側内部材２４Ｃの厚さ（荷電粒子線６の照射方向の長さ（Ｌ_２））を変えて解析した。

なお、中性子減速照射装置は、図３に示す形態において、直径５０ｃｍの減速材本体２１Ａのみを備え、上流側減速材２１Ｂを備えないものとした。遮蔽材２３は、０．０１ｃｍのカドミウム板により形成し、コリメータ部は、照射方向の長さ（Ｌ_１）が１０ｃｍの鉛製の上流側部材２４Ａと、周壁の厚さ（Ｒ_２）が５ｃｍの下流側内部材２４Ｃと、フッ化リチウム−ポリエチレン製の下流側外部材２４Ｄとにより構成した。また、中性子減速照射装置の全径は、１００ｃｍ、ターゲット５を備える反射材２２の開口は、直径２０ｃｍ、長さ３７ｃｍとした。

図９は、コリメータ部の構造と、熱外中性子強度との関係を示す図である。また、図１０は、コリメータ部の構造と、カレント／フラックス比との関係を示す図である。
図９及び図１０において、横軸は、コリメータ部の下流側内部材２４Ｃの厚さ（荷電粒子線６の照射方向の長さ（Ｌ_２））［ｃｍ］、○のプロットは、フッ化リチウム−ポリエチレン製の下流側内部材２４Ｃを備える場合、●のプロットは、鉛製の下流側内部材２４Ｃを備える場合を示す。図９における、縦軸は、熱外中性子強度（Ｎ_ｅｐｉ）［×１０^９ ｎ／ｃｍ^２／ｓ］を示し、図１０における、縦軸は、カレント／フラックス比（Ｃ／Ｆ比）を示す。

図９に示すように、解析した厚さ（荷電粒子線６の照射方向の長さ（Ｌ_２））の範囲では、下流側内部材２４Ｃが、フッ化リチウム−ポリエチレン製である場合、及び、鉛製である場合のいずれにおいても、熱外中性子強度（Ｎ_ｅｐｉ）は目標値を上回った。但し、鉛製の下流側内部材２４Ｃを備える場合に、より熱外中性子強度（Ｎ_ｅｐｉ）が高められた。一方、図１０に示すように、カレント／フラックス比（Ｃ／Ｆ比）は、鉛製の下流側内部材２４Ｃを備える場合に、フッ化リチウム−ポリエチレン製である場合よりも低下した。但し、厚さを増すことにより、カレント／フラックス比（Ｃ／Ｆ比）は破線で示す目標値を上回った。なお、ガンマ線混入率（Ｄ_ｇ）は、いずれの場合についても目標値が充足された。一方、熱中性子比（Ｎ_ｔ／ｅ）は、鉛製の下流側内部材２４Ｃを備える場合のみ目標値が充足された。

次に、減速材の形状について評価した。減速材として減速材本体２１Ａと上流側減速材２１Ｂとを備える中性子減速照射装置を、上流側減速材２１Ｂを備えないものと比較し、中性子源が出射する方向成分毎に評価した。具体的には、中性子源が発生点から全方向に出射する場合、発生点から下流側（０〜９０ｓｒ）のみに出射する場合、発生点から上流側（９０〜１８０ｓｒ）のみに出射する場合のそれぞれについて解析した。

なお、中性子減速照射装置は、図３に示す形態において、直径５０ｃｍ、厚さ３１．５ｃｍの減速材本体２１Ａを備えるものとした。上流側減速材２１Ｂは、荷電粒子線６の照射方向の長さ（Ｌ_Ｕ）を２０ｃｍ、周壁の厚さ（Ｒ_Ｕ）を１５ｃｍとした。遮蔽材２３は、０．０１ｃｍのカドミウム板により形成し、コリメータ部は、照射方向の長さ（Ｌ_１）が１０ｃｍの鉛製の上流側部材２４Ａと、照射方向の長さ（Ｌ_２）が５ｃｍであり、周壁の厚さ（Ｒ_２）が５ｃｍの鉛製の下流側内部材２４Ｃと、フッ化リチウム−ポリエチレン製の下流側外部材２４Ｄとにより構成した。また、中性子減速照射装置の全径は、１００ｃｍ、ターゲット５を備える反射材２２の開口は、直径２０ｃｍ、長さ３７ｃｍとした。

図１１は、減速材の形状と、熱外中性子線強度との関係を示す図である。また、図１２は、減速材の形状と、高速中性子混入率との関係を示す図である。
図１１及び図１２において、「無」は、上流側減速材２１Ｂを備えない形態、「有」は、上流側減速材２１Ｂを備える形態を示す。上流側減速材２１Ｂを備えない形態は、該当部位を反射材２２で置換したものである。「全」は、中性子源が全方向に出射するものとした場合、「下流」は、中性子源が下流側のみに出射するものとした場合、「上流」は、中性子源が上流側のみに出射するものとした場合である。図１１における、縦軸は、熱外中性子強度（Ｎ_ｅｐｉ）［×１０^９ ｎ／ｃｍ^２／ｓ］を示し、図１２における、縦軸は、高速中性子混入率［×１０^−１３ Ｇｙ・ｃｍ^２］を示す。

図１１に示すように、上流側減速材２１Ｂを備えることにより、特に、上流側の成分について、熱外中性子強度（Ｎ_ｅｐｉ）が高められた。また、図１２に示すように、上流側減速材２１Ｂを備えることにより、高速中性子混入率（Ｄ_ｆ）が低減した。取り分け、上流側の成分について、高速中性子混入率（Ｄ_ｆ）が顕著に低減しており、上流側に出射した中性子が上流側減速材２１Ｂによって散乱されて、長い飛跡をたどって出射されることが確認された。

続いて、上流側減速材２１Ｂの荷電粒子線６の照射方向の長さ（Ｌ_Ｕ）、周壁の厚さ（Ｒ_Ｕ）を変数とし、高速中性子混入率（Ｄ_ｆ）が、２×１０^−１３［Ｇｙ／ｃｍ^２］以下との目標値を充足するように減速材の厚さを変えて解析した。

図１３は、上流側減速材の厚さ及び長さと、熱外中性子強度との関係を示す図である。また、図１４は、上流側減速材の厚さ及び長さと、中性子空間線量比との関係を示す図である。
図１３及び図１４において、横軸は、上流側減速材２１Ｂの周壁の厚さ（Ｒ_Ｕ）［ｃｍ］−上流側減速材２１Ｂの長さ（Ｌ_Ｕ）［ｃｍ］を示す。図１３における、縦軸は、熱外中性子強度（Ｎ_ｅｐｉ）［×１０^９ ｎ／ｃｍ^２／ｓ］を示し、図１４における、縦軸は、中性子空間線量率（Ｓ_ｎ）を示す。

図１３及び図１４に示すように、上流側減速材２１Ｂを備えることにより、上流側減速材２１Ｂを備えない場合（図における「０−０」）と比較して、熱外中性子強度（Ｎ_ｅｐｉ）は高くなり、中性子空間線量率（Ｓ_ｎ）は低減されるようになった。また、上流側減速材２１Ｂを備えることにより、高速中性子混入率（Ｄ_ｆ）、ガンマ線混入率（Ｄ_ｇ）、熱中性子比（Ｎ_ｔ／ｅ）及びカレント／フラックス比（Ｃ／Ｆ比）は、いずれも目標値を充足した。そして、減速材本体２１Ａの厚さは、上流側減速材２１Ｂを備えない場合（図における「０−０」）に、３２．７ｃｍで高速中性子混入率（Ｄ_ｆ）の目標値を充足していたところ、上流側減速材２１Ｂを備える場合、最大（図における「１０−２０」）で２９．３ｃｍに短縮された。

次に、下流側減速材の厚さについて評価した。具体的には、減速材として減速材本体２１Ａと上流側減速材２１Ｂと下流側減速材２１Ｃとを備える中性子減速照射装置につき、減速材本体２１Ａの厚さ（荷電粒子線６の照射方向の長さ（Ｌ_Ｂ））、下流側減速材２１Ｃの厚さ（荷電粒子線６の照射方向の長さ（Ｌ_Ｄ））を変数とし、高速中性子混入率（Ｄ_ｆ）が、２×１０^−１３［Ｇｙ／ｃｍ^２］以下との目標値を充足するように減速材の厚さを変えて解析した。

なお、中性子減速照射装置は、図４に示す形態において、直径５０ｃｍの減速材本体２１Ａを備えるものとした。上流側減速材２１Ｂは、荷電粒子線６の照射方向の長さ（Ｌ_Ｕ）を２０ｃｍ、周壁の厚さ（Ｒ_Ｕ）を１０ｃｍとした。遮蔽材２３Ａは、０．０１ｃｍのカドミウム板により形成し、コリメータ部は、照射方向の長さ（Ｌ_１）が１０ｃｍの鉛製の上流側部材２４Ａと、照射方向の長さ（Ｌ_２）が５ｃｍであり、周壁の厚さ（Ｒ_２）が５ｃｍの鉛製の下流側内部材２４Ｃと、フッ化リチウム−ポリエチレン製の下流側外部材２４Ｄとにより構成した。また、中性子減速照射装置の全径は、１００ｃｍ、ターゲット５を備える反射材２２の開口は、直径２０ｃｍ、長さ３７ｃｍとした。

図１５は、下流側減速材の厚さと、熱外中性子強度との関係を示す図である。また、図１６は、下流側減速材の厚さと、減速材本体の厚さとの関係を示す図である。
図１５及び図１６において、横軸は、下流側減速材２１Ｃの厚さ（荷電粒子線６の照射方向の長さ（Ｌ_Ｄ））［ｃｍ］を示す。図１５における、縦軸は、熱外中性子強度（Ｎ_ｅｐｉ）［×１０^９ ｎ／ｃｍ^２／ｓ］を示し、図１６における、縦軸は、減速材本体２１Ａの厚さ（荷電粒子線６の照射方向の長さ（Ｌ_Ｂ））を示す。

図１５に示すように、下流側減速材２１Ｃの厚さが凡そ０．５ｃｍ以上４．５ｃｍ以下の範囲において、熱外中性子強度（Ｎ_ｅｐｉ）が高められた。そして、図１６に示すように、下流側減速材２１Ｃの厚さが増すほど、減速材本体２１Ａの厚さを薄肉化することができた。具体的には、減速材本体２１Ａの厚さ（Ｌ_Ｂ）が、３．６ｃｍ程度短縮された。また、下流側減速材２１Ｃを備えることにより、高速中性子混入率（Ｄ_ｆ）、ガンマ線混入率（Ｄ_ｇ）、熱中性子比（Ｎ_ｔ／ｅ）及びカレント／フラックス比（Ｃ／Ｆ比）は、いずれも目標値を充足した。

１００ 中性子発生装置
１ 荷電粒子線発生装置
１ａ イオン源
１ｂ 加速器
２ 中性子減速照射装置
４ 導管
５ ターゲット（中性子源）
６ 荷電粒子線（陽子線）
７ 集束レンズ
９ 中性子線
２１Ａ 減速材本体（本体部）
２１Ｂ 上流側減速材（上流部）
２２ 反射材
２３ 遮蔽材（遮蔽部）
２４Ａ 上流側部材（コリメータ部）
２４Ｂ 下流側部材（コリメータ部）
１２４ａ 開口

Claims (4)

1. 荷電粒子線が照射されて中性子源が発生した中性子線を減速させる減速材と、
   前記減速材の周囲を囲む反射材と、
   前記減速材によって減速された中性子線の照射野を整形するコリメータ部とを備え、
   前記減速材は、前記荷電粒子線の照射方向における前記中性子源の下流側に配置された本体部と、前記照射方向における前記本体部の上流側に配置されて前記中性子源の周囲を囲む上流部とを有する中性子減速照射装置。
2. 前記荷電粒子線の照射方向における前記減速材の下流側に配置され、高速中性子線を遮蔽する遮蔽部を備え、
   前記遮蔽部は、カドミウム製又はカドミウム合金製の遮蔽材を備える請求項１に記載の中性子減速照射装置。
3. 前記コリメータ部は、前記照射方向に向かって縮径する開口を有し、
   前記開口は、鉛製又は鉛合金製の反射材によって形成され、前記照射方向における前記反射材の下流側にフッ化リチウム−ポリエチレン製の遮蔽材が配置された請求項１又は請求項２に記載の中性子減速照射装置。
4. 前記コリメータ部は、前記照射方向に向かって縮径する開口を有し、
   前記減速材は、前記本体部の下流端から前記照射方向における下流側に向かって円錐台形状に配置された下流部をさらに有し、
   前記下流部は、前記コリメータ部が有する前記開口に囲まれる請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の中性子減速照射装置。

Images